Informe Maquina Sincronica.docx

INFORME: CARACTERIZACIÓN MÁQUINA SÍNCRONA Resumen— En este documento se presenta el estudio teórico y experimental para una máquina síncrona, con el fin de conocer su operación, funcionamiento y modelo eléctrico. Para poder determinar lo mencionado anteriormente, es necesario hacer una previa investigación teórica sobre dicha máquina, para luego proceder hacer las pruebas de caracterización de la maquina síncrona, en este caso se harán las siguientes pruebas: vacío, corto circuito, arranque en vacío, medición de pérdidas, y regulación de tensión. Todo lo anterior, se desarrollará con la metodología presentada en este documento.

Palabras claves—Máquina asíncrona, prueba de regulación de tensión, prueba de cortocircuito, pérdidas.

vacío,

B. Objetivos Específicos  Realizar las pruebas en vacío y cortocircuito para la maquina sincrónica conectada como generador  Construir la curva de magnetización de la máquina  Realizar la prueba con carga del generador sincrónico, regulación de tensión y cálculo de las perdidas como generador.  Determinar la Resistencia en cada uno de los devanados de la máquina síncrona.  Arrancar suavemente en vacío y con carga del motor y medición de variables  Medir la regulación de velocidad y sus parámetros

I. INTRODUCCIÓN

III.

En la actualidad la máquina síncrona cuenta con sin fin de aplicaciones, pero la más importante es la generación de energía en grandes centrales de potencia debido a la0020característica de las maquinas se pueden realizar interconexiones en paralelo de diferentes tipos de generadores con el fin de suministrar grandes flujos de potencia a los usuarios que hagan parte de los sistemas eléctricos interconectados. Como su nombre lo indica son máquinas capaces de operar sólo a la velocidad sincrónica, esto es, a la velocidad mecánica equivalente a la velocidad de rotación producido por las corrientes del estator. Teniendo en cuenta lo anterior, en este documento se presenta el planteamiento teórico y la metodología práctica para realizar de forma correcta la caracterización de la máquina síncrona a través de pruebas de vacío, cortocircuito, regulación de tensión y medición de todo tipo de pérdidas. Todas estas pruebas, se realizan con el fin de caracterizar la máquina síncrona y así conocer su comportamiento y su rango de operación.

MARCO TEÓRICO

Máquina síncrona Es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de rotación del eje y la frecuencia eléctrica están sincronizadas y son mutuamente dependientes, ésta puede operar tanto como motor y generador. El circuito equivalente para la máquina síncrona con el cual se puede modelar e identificar los parámetros eléctricos es:

Figura 1. Modelo eléctrico equivalente por fase

Dónde: II.

OBJETIVOS



A. Objetivo General Analizar el comportamiento real de la máquina síncrona, usándola como generador y motor.



𝑅𝐴 = Resistencia del devanado de armadura por fase 𝑋𝑠 =Reactancia sincrónica

 

𝑅𝐹 =Resistencia del circuito del campo interno + resistencia variable externa 𝐿𝑓 = Reactancia del bobinado de excitación

MOTOR SINCRONICO A. Motor sincrónico En el caso donde la maquina síncrona funciona como motor, se lleva la maquina a la velocidad de sincronismo, pues la máquina síncrona no tiene par de arranque, y se alimentan el devanado del rotor (devanado de campo) con corriente continua y el devanado del estator (devanado inducido) con corriente alterna. La interacción entre los campos creados por ambas corrientes mantiene el giro del rotor a la velocidad de sincronismo. B. Medición de devanados Para la medición de devanados se utilizará, la medición corta. Para este tipo de medición, los bornes del voltímetro se conectan directamente a los bornes de la resistencia a medir, como se muestra en la figura 2.

En un generador síncrono se produce un campo magnético en el rotor ya sea mediante el diseño de éste como un imán permanente o mediante la aplicación de una corriente de cd a su devanado para crear un electroimán. En seguida, el rotor del generador gira mediante un motor primario, y produce un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Este campo magnético giratorio induce un conjunto de voltajes trifásicos dentro de los devanados del estator del generador. B. Pérdidas Máquina síncrona Las pérdidas en el generador síncrono son: En el hierro Por calentamiento de los devanados (pérdidas en el cobre) Pérdidas debidas a la fricción y ventilación Pérdidas parasitas en carga. Las principales pérdidas que se presentan son: las pérdidas en el hierro; debido al flujo principal (histéresis y corrientes de Foucault) las cuales se hallan con ayuda de la prueba de vacío de la maquina síncrona. C. Prueba de vacío Técnicamente esta prueba se efectúa impulsando el generador a su velocidad nominal al tiempo que se deja abierto el devanado de la armadura. La corriente del campo se varía en pasos apropiados y se registran los valores correspondientes del voltaje a circuito abierto entre dos pares cualesquiera de terminales de los devanados de la armadura. D. Prueba de cortocircuito

Figura 2. Medición de parámetros resistivos de la máquina síncrona

C. Arranque en vacío El funcionamiento de los motores síncronos bajo condiciones de estado estacionario, es decir que el motor siempre se enciende a velocidad síncrona. Lo que lleva al siguiente cuestionamiento ¿cómo llega el motor a velocidad síncrona? Para entender la naturaleza del problema de arranque, se explica que un motor síncrono a 60 Hz en el momento en que se aplica potencia a los devanados del estator. El rotor del motor está estacionario y, por lo tanto, el campo magnético también. El campo magnético del estator comienza a girar dentro del motor a velocidad síncrona.

GENERADOR SINCRONICO A. Generador sincrónico

Como su nombre indica, la prueba de corto circuito se lleva a cabo con los terminales de la máquina de un cortocircuito, consiste en llevar nuevamente la corriente de campo a cero, para luego cortocircuitar los bornes del generador y proseguir a ir incrementando la corriente de campo. E. Regulación de Tensión Una manera conveniente de comparar el comportamiento de las tensiones de los generadores síncronos es mediante su regulación de tensión, que viene definida por la ecuación: 𝑉𝑅=𝑉𝑛𝑢𝑙𝑙−𝑉𝑓𝑢𝑙𝑙𝑉𝑓𝑢𝑙𝑙𝑥 100% Donde 𝑉𝑛𝑢𝑙𝑙es el valor de tensión del generador cuando está en vacío y 𝑉𝑓𝑢𝑙𝑙 el valor de tensión cuando está a plena carga. Un generador síncrono que opera con factor de potencia en atraso tiene una regulación positiva muy grande; si opera con un Factor unitario, tiene una regulación positiva muy

pequeña y si opera con factor de potencia en adelanto tiene una regulación negativa. IV.

METODOLOGÍA

A. Medición de Devanados Para el desarrollo de esta prueba se utilizan los siguientes materiales: multímetro y máquina síncrona sin energización alguna. Ahora bien, para llevar a cabo la medición de las resistencias de los devanados, se seguirá el siguiente procedimiento: •

En primer lugar, se deberá medir la resistencia interna del multímetro (cabe resaltar el multímetro debe estar en la función óhmica), como se muestra en la figura 3.

Ahora bien, para realizar la medición de la resistencia de campo y la corriente del devanado de campo, se tiene: • •

• •

Observar la graduación de la resistencia 𝑅𝑎𝑑𝑗. Situar una resistencia en serie, con el fin de medir la caída de tensión sobre esta resistencia y así calcular la corriente por la armadura con la ley de ohm. Graduar el valor de 𝑅𝑎𝑑𝑗 hasta obtener la corriente nominal del devanado de campo. Conociendo la tensión suministrada al campo, se toma la medición de la corriente de campo y por medio de la relación 𝑅𝑓 =

𝑣

𝑖𝑓𝑓

se encontrará la

resistencia de campo. El montaje para esta prueba se muestra en la figura 5.

Figura 3. Medición de resistencia interna del multímetro.

•

Seguido a esto, se deberá medir cada una de las resistencias de los devanados de la máquina. Al resultado obtenido de cada resistencia de devanado se debe restar el valor obtenido de resistencia interna del multímetro. Tal como se muestra en la figura 4.

Figura 5. Medición resistencia en el devanado de campo.

B.

Figura 4. Medición de resistencia de cada devanado de la máquina síncrona.

Arranque en vacío

C. Prueba de cortocircuito Figura 8. Diagrama para arranque de vacío del motor síncrono.

C. Medición de todo tipo de pérdidas Para llevar a cabo la medición de todo tipo de pérdidas, como es bien sabido, con la prueba de vacío y de cortocircuito se miden las pérdidas en el hierro y en el cobre, además la potencia de salida se tiene con la tensión y corriente cuando la máquina está conectada a la carga, por otro lado, las pérdidas misceláneas como ya se conoce corresponden al 1% de la corriente nominal. Finalmente cabe resaltar, que las pérdidas por fricción y ventilación son difíciles de considerar, por ende, no serán tenidas en cuenta.

Conectar los devanados de la armadura en estrella (establecer corto entre ellas). Establecer una corriente de campo en cero e ir aumentando gradualmente esta corriente. Accionar el generador a la velocidad síncrona con el sistema mecánico externo (motor jaula de Ardila). Poco a poco aumentar el devanado de campo en curso hasta que la corriente de corto circuito de la armadura alcanza el valor nominal de diseño.

D. Prueba de vacío La prueba sin carga consiste, en colocar el Generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y con corriente de campo igual a cero. A continuación, se muestran los pasos a seguir para la prueba de vacío. a. Abrir el circuito de los terminales del generador. b. Llevar la máquina a la velocidad síncrona mediante un sistema mecánico externo (motor jaula de ardilla).

E. Regulación de tensión

c. Poco a poco aumentar la intensidad de campo y medir la tensión abierta en los bornes

Para esta práctica se realiza la medición de voltaje con carga y en vacío en una de las fases. F. Medición de todo tipo de pérdidas Para llevar a cabo la medición de todo tipo de pérdidas, como es bien sabido, con la prueba de vacío y de cortocircuito se miden las pérdidas en el hierro y en el cobre, además la potencia de salida se tiene con la tensión y corriente cuando la máquina está conectada a la carga, por otro lado, las pérdidas misceláneas como ya se conoce corresponden al 1% de la corriente nominal. Finalmente cabe resaltar, que las pérdidas por fricción y ventilación son difíciles de considerar, por ende, no serán tenidas en cuenta.

V.

DATOS OBTENIDOS DE LA PRACTICA DE LABORATORIO Y CALCULOS

𝑆𝑅 = 0.22% COMO MOTOR: Medición de devanados La resistencia interna del multímetro utilizado para la medición de los devanados fue de 0,3 Ω

Perdidas en el motor Potencia en vacío (P0) = 0.2KW Resistencia del bobinado (R) = 11,8 Ω Corriente en vacío (I0) =0.3A 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 = 𝐼02 ∗ 𝑅 = (0.32 ) ∗ 11,8 = 1.062𝑊

NUMERO DE DEVANADO 1 2 3

RESITENCIA MEDIDA (Ω)

RESISTENCIA TOTAL(Ω)

12,1 12,1 12,1

11,8 11,8 11,8

Arranque en vacío y medición de variables Corriente I1= 0,30 I2= 0,34 I3= 0,37

Tensión V1= 118,5 V2= 118,3 V3= 119,7

𝑃𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 = 𝑃0 − 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 = 200 − 1.062 = 198.938𝑊 Potencia a plena Carga (Pfl) = 0.8KW Corriente bajo Carga (Ifl) =1.175A 𝑃𝑚𝑖𝑠𝑒𝑙𝑎𝑛𝑒𝑎𝑠 = 𝑃𝑓𝑙 ∗ 1% = 800 ∗ 1% = 8𝑊 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 = 𝐼𝑓𝑙 2 ∗ 𝑅 = (1.1752 ) ∗ 11,8 = 16.29𝑊 𝑃𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 = 198.93𝑊 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝑃𝑓𝑙 − 𝑃𝑚𝑖𝑠𝑒𝑙𝑎𝑛𝑒𝑎𝑠 − 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 − 𝑃𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠

Potencia Activa: 0,2 KW Potencia Reactiva: 0.6 KVar Potencia aparente: 0.6 KVA Factor de potencia: 0,39 Velocidad: 1799 rpm

𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 = 800 − 8 − 16.29 − 198.93 = 576.78𝑊

COMO GENERADOR Potencia en vacío (P0) = 0,2 KW Resistencia del bobinado (R) = 11,8 Ω Corriente en vacío (I0) =0,3 A

Prueba en vacío: Datos obtenidos en la prueba de vacío:

Arranque a plena carga y medición de variables Corriente I1= 1.175 I2=1.25 I3=1.316 IN=0.0

Tensión V1=117.4 V2=118.0 V3=118.6 VN=0.0

Potencia Activa: 0,8 KW Potencia Reactiva: 5,2 KVar Potencia aparente: 5,2 KVA Factor de potencia: 0,14 Velocidad: 1795 rpm Regulación de Velocidad:

𝑆𝑅 = 𝑆𝑅 =

𝑤𝑛 − 𝑤𝑓 ∗ 100% 𝑤𝑓

1799 − 1795 ∗ 100% 1799

CORRIENTE DE CAMPO (A) 0,238 0,258 0,28 0,3 0,318 0,341 0,36 0,385 0,417 0,439 0,457 0,479 0,504

TENSION INDUCIDA (V) 64 68 72,5 76,1 79,6 83,6 86,5 90,7 95,8 99 101,5 104,3 107,3

0,519 0,54 0,564 0,58 0,604 0,623 0,635 0,663 0,683 0,704

Perdidas:

109,3 111,5 113,8 115,3 117,4 119 120,1 121,7 123,3 124,9

Potencia en vacío (P0) = 0,8 KW Resistencia del bobinado (R) = 11,8 Ω Corriente en vacío (I0) =0,3 A 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 = 𝐼02 ∗ 𝑅 = (0,32 ) ∗ 11,8 = 1,062 𝑊 𝑃𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 = 𝑃0 − 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 = 0,8 𝐾𝑊 − 1,062𝑊 = 798,93𝑊 Arranque en cortocircuito y medición de variables Corriente Estator 0,98 A

VI.

CURVA DE MAGNETIZACION



TENSION INDUCIDA

CURVA DE MAGNTIZACIÓN



140 120 100 80 60 40 20 0

VII. 0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

CORRIENTE DE CAMPO (If)



Corriente de campo (a) vs tensión inducida a una velocidad constante de 1755 rpm Para la prueba en vacío del generador se obtuvo Corriente(A) I1= 0,3 I2=0,3 I3=0,3 IN=0

Tensión V1=117,4 V2=118,0 V3=118,6 VN=0

Potencia Activa: 0,8 KW Potencia Reactiva: 5,2 KVAR Potencia aparente: 5.2 KVA Factor de potencia: 0,15 Velocidad:1755 rpm







Tensión 0

Corriente de Campo 0,447 A

ANALISIS DE RESULTADOS La potencia en vacío solo representa las perdidas eléctricas y mecánicas de la maquina sincrónica. La curva de magnetización representa el comportamiento de materiales ferromagnéticos al alimentar el bobinado de campo con una corriente continua iniciando con 0 A y subiéndola lentamente hasta la máxima corriente permitida

CONCLUSIONES Para que la máquina síncrona sea capaz de efectivamente convertir energía mecánica aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el rotor de la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a los conductores de los enrollamientos del estator. Con el arranque en vacío en una maquina eléctrica se pueden calcular las perdidas mecánicas y eléctricas, debido a que la potencia consumida solo son perdidas. La curva de magnetización de la maquina sincrónica es lineal mientras la corriente de campo se encuentre por debajo de su valor máximo, una vez se supera este la maquina se comienza a saturar y se podría dañar. El motor sincrónico siempre funciona a velocidad constante.

VIII. REFERENCIAS [1] Chapman S, Máquinas eléctricas, México D.F.: The McGraw-Hill, 2012. [2] G. Bagh y H. Hüseyin, Máquinas eléctricas y transformadores, New York: Alfaomega grupo editor, 2002. [3] Mora H, Máquinas eléctricas, México D.F.: Limusa, 2015